CN114226461A - 一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置及应用，属于镁合金加工领域。本发明的异温异速协调轧制装置，在轧机上设置轧辊感应加热***和轧辊速度调节***；所述轧辊感应加热***包括感应线圈、上测温探头由加热***控制台控制加热温度。所述轧辊速度调节***包括电机、减速器、联轴器等，分别与上下轧辊联接；上、下轧辊的温度和速度通过总控台实现单独调节。本发明装置可根据需要设定上下轧辊异速比和异温比，对镁合金板材进行异温异速轧制，制备厚向梯度组织的镁合金板带材。本发明装置和工艺同时解决了目前镁合金领域中沿板带材厚向梯度组织难以制备及异步轧制板型弯曲严重两个问题。为变形镁合金未来的应用拓展提供了技术支持。

Description

一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置及应用
技术领域
本发明涉及一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置及应用，属于镁合金加工领域。
背景技术
变形镁合金板带材被广泛应用在航空航天、国防军工以及汽车交通等众多轻量化领域。但越来越复杂的服役环境对镁合金板带材的组织和性能提出了更高的要求，其中板带材表现出的强基面织构以及板带材沿厚向的梯度组织难以制备是限制变形镁合金应用拓展的两个严重问题。
众所周知，镁合金性能与其组织状态息息相关，而其组织状态又与塑变参数中的温度有着直接联系。因此有必要对轧辊温度进行精确控制，本领域目前已有控制轧辊温度的相关发明，例如，专利号ZL201310246053.7，名称为一种镁合金异温轧制装置及方法的发明专利，该轧制装置设置加热装置和控制装置，其中加热装置分别设于下轧辊和上轧辊外周相对位置。通过分别控制流经两个加热装置的电流大小，改变上轧辊和下轧辊的温度，使位于轧制变形区的镁合金板上下表面的温度产生差异，达到影响织构取向的效果。然而该方法会导致板材弯向低温侧，板型平整度较差；且该加热方式效率较低。
此外，镁合金由于其密排六方晶体结构特点，塑变机制单一，在塑性加工后容易形成强基面织构，不利于后续二次成形，特别是镁合金板带受常规轧制工艺影响更易形成强基面板织构。为了改善镁合金板带织构，目前已开发出多种轧制工艺，如等通道径角轧制、异步轧制等。但是两种轧制工艺都存在一定的局限性：等通道径角轧制工序复杂、难以实现连续化生产；异步轧制的板型往往弯向慢速辊侧，板型平直度较难控制。异步轧制可在板带轧制过程中沿轧向引入剪切应力，调整板带基面沿轧向发生偏转，能有效改善镁合金板带材基面织构。然而，异步轧制在调整基面织构的同时由于剪切应力的引入产生了新的严重的板型问题，与异步轧制快速辊接触的板材表面变形量大，而与慢速辊接触的板材表面变形量小，致使异步轧制板带材往往向慢速辊侧发生弯曲，严重影响板带材的形状规格，极大限制了异步轧制技术在镁合金板带材领域中的应用。
为改善异步轧制板型弯曲问题，目前多采用上下轧辊错位量的方式形成一个反向弯矩来减少轧板的弯曲值。这种方式虽能改善异步轧制板型弯曲问题，但上下轧辊偏移量过大会损坏轧机。因此如何改善异步轧制板型弯曲问题，也是本领域亟需解决的一个难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，同时为了获得良好板型的弱基面织构镁合金板带，本发明设计了一种用于镁合金板带材的异温异速协调轧制装置，通过轧辊感应加热***和轧辊速度调节***，分别调控上下轧辊的温度和速度，来改善镁合金板带上下表面的塑性变形能力，一方面实现镁合金板带弯曲程度的调整，另一方面可以在镁合金板材厚度方向上形成性能梯度，使其可以更好地适应复杂的服役环境。
为实现上述发明目的，本发明提供一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置，所述装置包括轧辊、机架、轧辊感应加热***和轧辊速度调节***；所述轧辊感应加热***包括设于上轧辊外周的上感应线圈、上测温探头，和设于下轧辊外周的下感应线圈、下测温探头；所述上、下感应线圈分别与加热***控制台电联接；所述感应线圈为U型感应线圈，半包围在轧辊外周。
所述轧辊速度调节***包括依次电联接的电机、减速器、联轴器；所述电机、减速器、联轴器设有两组，分别与上下轧辊联接；所述加热***控制台和电机由总控台控制。
所述上、下轧辊的温度和速度通过总控台实现单独调节。
本发明装置可根据工艺设定通过总控台调控轧辊的异速(上下轧辊不同速)比和异温(上下轧辊不同温)比。调控过程如下：总控台设置上下轧辊异速比，分配上下轧辊转速，转速指令分别输入两台电动机，电动机调节各自转速，并通过减速器实现速度转换和扭矩转换，通过联轴器将速度和扭矩输送给上下轧辊，完成上下轧辊的速度调节。通过总控台设置上下轧辊异温比，分配上下轧辊具体温度，两组感应加热***依照此温度调节感应电源，完成感应线圈工作状态调整，同时通过测温探头时时检测轧辊表面温度，若检测温度高于设定温度范围，则测温探头将温度信号传递给总控台，总控台输出感应加热***降温指令，实现感应线圈降温操作，若检测温度低于设定温度范围，则测温探头将温度信号传递给总控台，总控台输出感应加热***升温指令，实现感应线圈升温操作，循环执行上述闭环温度调节***，直至轧辊表面温度达到设定温度范围内。
本发明还提供一种镁合金板带材的异温异速协调轧制工艺，步骤是：
(1)设定上下轧辊温度比为1：1～1：10(上轧辊：下轧辊)；
(2)设定上下轧辊异速比为1:1～3:1(上轧辊：下轧辊)；
(3)变形量为30％～50％，进行异温异速轧制。
一次轧制结束后，根据需要，调整上下轧辊异速比和/或异温比，再次进行异温异速轧制：若板型弯向慢速辊，则增大慢速辊的温度、或降低快速辊的温度，或提高慢速辊的速度，或降低快速辊的速度。基于上下轧辊温度比或速度比的协调，再次进行异温异速轧制，直至板型无显著弯曲。
通过本发明的一次异温异速轧制可制备得到沿板带厚向的梯度组织；还可以进一步改善异步轧制镁合金板型弯曲问题。
本发明还提供所述镁合金板带材的异温异速协调轧制装置在制备镁合金板带材厚向梯度组织中的应用。
本发明具有以下优势：
(1)本发明装置设计简单巧妙，同时解决了目前镁合金领域中沿板带材厚向梯度组织难以制备及异步轧制板型弯曲严重两个问题。
众所周知，变形温度严重影响镁合金的塑性变形能力，通常表现为高温下镁板变形抗力小，塑性变形能力强，而低温下变形抗力大，塑性变形能力弱。为此，本发明通过控制板材上下表面温度改善上下表面塑性变形能力，以解决异步轧制板型弯曲问题。此外，由于镁合金织构形成与变形温度息息相关，温度控制同时可以作为调控异步轧制板带织构状态的有效手段。然而通过单一的上下表面温度控制或者单一的上下轧辊速度控制，都无法有效解决异步轧制板型弯曲问题。此外，变形温度是镁合金显微组织(晶粒尺寸和组织均匀性)的重要影响参数，当前常规的异步轧制无法解决板带材沿厚向梯度组织难以制备的问题。
本发明人经过大量研究，设计了本发明装置，改进了轧制工艺。解决了异步轧制板型弯曲以及板带材厚向梯度组织难以制备问题：通过上下轧辊温度比和速度比的协同匹配，实施镁合金板带材上下表面不同变形温度和变形速度的调控，在异步轧制中改善了板带材上下表面的塑性变形能力，改善了异步轧制板型弯曲，同时基于在板带厚向产生的梯度温度场和梯度应力场，实现镁合金板带材厚向梯度组织的制备。使其可以更好地适应复杂的服役环境。
(2)本发明装置适用于各种轧机，在现有轧机上改进即可，极大降低了生产成本。
(3)本发明除了解决异步轧制板型弯曲严重以及沿板带厚向梯度组织难以制备的问题，通过***的参数调节，进一步可以改善板带轧制边裂、黏连轧辊等共性问题，具有很高的应用价值。
(4)本发明装置和工艺除了用于镁合金板带材还可用于铝、钛等多种金属材料，可移植性强。
附图说明
图1为本发明镁合金板带材异温异速协调轧制装置结构示意图。
图中：1机架、2轧辊(21上轧辊、22下轧辊)、3感应线圈(31上感应线圈、32下感应线圈)、4测温探头(41上测温探头、42下测温探头)、5下压装置、6联轴器、7减速器、8电机、9感应电源、10加热***控制台、11总控台。
图2为实施例2的ZK60镁合金异速异温轧制和异速等温轧制板材厚向俯视图。
图3为实施例3的Mg-Nd-Zn-Zr系镁合金异温异速轧制和异温等速轧制板材厚向俯视图。
图4为实施例4的ZK60镁合金异温等速轧制和等温等速轧制板材沿厚向不同区域显微组织图。
图5为实施例4的ZK60镁合金异温异速和等温等速轧制板材沿厚向不同区域的织构结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，下述实施例中列举的为本发明的几种具体形式，但本发明的范围不限于此。
实施例一、如图1所示的一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置，所述装置包括轧辊2、机架1、轧辊感应加热***和轧辊速度调节***；轧辊感应加热***包括设于上轧辊21外周的上感应线圈31、上测温探头41，和设于下轧辊22外周的下感应线圈31、下测温探头41；所述上、下感应线圈分别与加热***控制台10电联接；所述感应线圈为U型感应线圈，半包围在轧辊外周。轧辊速度调节***包括依次电联接的电机8、减速器7、联轴器6；所述电机8、减速器7、联轴器6设有两组，分别与上下轧辊联接；所述加热***控制台10和电机8由总控台11控制。该装置上、下轧辊的温度和速度可由总控台对轧辊感应加热***和轧辊速度调节***进行单独调节。
实施例二、
以ZK60为例，对比使用本发明装置及工艺方法和不使用本发明装置及工艺方法进行轧制变形得到的板材的板型弯曲度及组织性能。
试验1：使用本发明装置和工艺，具体步骤如下：
1)开启上下轧辊感应加热，预热上轧辊温度为100℃，预热下轧辊温度为300℃，形成上下轧辊异温比为1:3；
2)设定上轧辊转速为10m/min，下轧辊速度为5m/min，形成上下轧辊异速比为2:1；
3)将20mm厚ZK60板料预热至300℃，保持30min；
4)轧辊直径350mm，变形量为50％；进行轧制。
对比试验1：使用常规异步轧制装置和工艺，具体步骤如下：
1)设定上轧辊转速为10m/min，下轧辊速度为5m/min，形成上下轧辊异速比为2:1；
2)上下轧辊温度相同；
3)将20mm厚ZK60板料预热至300℃，保持30min；
4)轧辊直径350mm，变形量为50％；进行轧制。
试验1和对比试验1得到的板材如图2(ZK60镁合金异速异温轧制和异速等温轧制板材厚向俯视图)所示。从图2中可以看出，试验1中的异速异温轧制板材平整度较高，而对比试验1中的异速等温轧制板材向低速侧弯曲，板型平整度较差。在对比试验1中，高速侧变形量较大，低速侧变形量较小，ZK60板材经轧制后向低速侧弯曲。而在试验1中，虽然具有相同的上下轧辊异速比(2:1)，但由于上下轧辊异温比(1:3)，致使板材在高温侧变形量较大，弥补了该侧因为低速引起的变形量较小，保证了板型平整度。由上述实验可知，上下轧辊异温比可较好的弥补上下轧辊异速比引起的板型弯曲问题。
实施例三、
以Mg-Nd-Zn-Zr系合金为例，对比使用本发明装置及工艺方法和不使用本发明装置及工艺方法进行轧制变形得到的板材的板型弯曲度及组织性能。
试验2：使用本发明装置和工艺，具体步骤如下：
1)开启上下轧辊感应加热，预热上轧辊温度为250℃，预热下轧辊温度为450℃，形成上下轧辊异温比为1:1.8；
2)设定上轧辊转速为10m/min，下轧辊速度为5m/min，形成上下轧辊异速比为2:1；
3)将25mm厚ZK60板料预热至450℃，保持50min；
4)轧辊直径350mm，变形量为40％；进行轧制。
对比试验2：使用常规异温轧制装置和工艺，具体步骤如下：
1)预热上轧辊温度为250℃，预热下轧辊温度为450℃，形成上下轧辊异温比为1:1.8；
2)设定上轧辊转速为5m/min，下轧辊速度为5m/min，上下轧辊同速。
3)将25mm厚ZK60板料预热至450℃，保持50min；
4)轧辊直径350mm，变形量为40％；进行轧制。
试验2和对比试验2得到的板材如图3(Mg-Nd-Zn-Zr系镁合金异温异速轧制和异温等速轧制板材厚向俯视图)所示。从图3中可以看出，试验2中的异温异速轧制板材平整度较高，而对比试验1中的异温等速轧制板材向低温侧弯曲，板型平整度较差。在对比试验2中，高温侧变形量较大，低温侧变形量较小，Mg-Nd-Zn-Zr系板材经轧制后向低温侧弯曲。而在试验2中，虽然具有相同的上下轧辊异温比(1:1.8)，但由于上下轧辊异速比(2:1)，致使板材在高速侧变形量较大，弥补了该侧因为低温引起的变形量较小，有利于板型平整度。由上述实验可知，上下轧辊异速比可较好的弥补上下轧辊异温比带来的板型弯曲问题。
实施例四、
以ZK60镁合金为例，使用本发明装置及工艺方法和不使用本发明装置及工艺方法进行轧制变形得到的板材分别对上表面和下表面的轧制温度进行检测，并对上表面、次上表面、中间、次下表面和下表面进行金相组织观察和织构测试。试验3：使用本发明装置和工艺，具体步骤如下：
1)开启感应加热，预热上轧辊至100℃，预热下轧辊至350℃，形成上下轧辊异温比为2:7；
2)设定上轧辊转速为10m/min，下轧辊转速为5m/min，形成上下轧辊异速比为2:1；
3)将15mm厚ZK60板料预热至300℃，保持30min；
4)轧辊直径350mm，变形量40％；进行轧制。
对比试验4：采用常规轧制工艺，具体步骤如下：
1)将上下轧辊温度均预热至350℃，上下轧辊温比为1:1；
2)设定上下轧辊速度为5m/min；
3)将15mm厚ZK60板料预热至300℃，保持30min；
4)轧辊直径350mm，变形量为40％；进行轧制。
轧后通过工业接触式测温仪检测ZK60板材上表面(轧辊高温侧)和下表面(轧辊室温侧)温度；沿ZK60板材厚度方向，依次截取距上表面0.5mm、5.5mm、10.5mm、15.5mm及20.5mm处的微观组织测试件和力学性能测试件，并进行金相组织观察。
试验结果表明：板材经试验4上下轧辊异温比2:7(上轧辊100℃，下轧辊350℃)和上下轧辊异速比2:1(上轧辊10m/min，下轧辊5m/min)轧制后，ZK60板材上下表面形成了明显的温度差异(上表面211℃，下表面355℃)。板材经对比试验4上下轧辊同温同速的轧制后，ZK60板材上下表面没有出现显著的温度差异(上表面367℃，下表面359℃)。
随后对试验4和对比试验4进行板材显微组织观察和厚度方向不同区域的织构表征，包含0.5mm(上表面)、5.5mm(次上表面)、10.5mm(中间)、15.5mm(次下表面)及20.5mm(下表面)五个区域，如图4所示和图5所示。
从图4可见，试验3中形成的温度梯度对ZK60板材沿厚度方向形成了明显的梯度显微组织。其中上表面显微组织均匀性较差，大小晶粒并存，且晶界模糊，存在变形组织。随着厚度增大，组织均匀性逐渐得到改善，细小晶粒逐渐增多，晶界清晰，至异温-20.5mm时形成均匀的等轴粗晶组织，平均晶粒尺寸约为4.9μm(异温-20.5mm)。相比之下，对比试验3中ZK60板材沿厚度方向并未形成明显的显微组织差异，表现出均匀的等轴粗晶组织，平均晶粒尺寸约为3.2-5.7μm。
从图5中可以看出，试验3的(0002)极图形成了明显的织构梯度变化。低温高速侧形成了典型的强基面板织构(异温异速-0.5mm)，随着厚度增加，晶粒c轴沿着横向逐渐漫散分布，形成了介于挤压丝织构和轧制板织构间的过渡织构状态，至高温低速侧形成了沿横向漫散分布的丝织构状态。相比之下，ZK60板材经等温等速轧制后，沿板带厚度方向并未形成织构差异，均表现出晶粒c轴沿着横向漫散分布，表现出丝织构状态。
由此可见，本发明异温异速轧制可以实现镁合金板带厚度方向的梯度织构制备。
综上实施例二至实施例四，证明本发明装置和工艺同时解决了目前镁合金领域中沿板带材厚向梯度组织难以制备及异步轧制板型弯曲严重两个问题，即发明异温异速轧制可以实现镁合金板带厚度方向的梯度织构制备，同时保持了极高的板型平整度。为变形镁合金未来的应用拓展提供了技术支持。

Claims (6)

1.一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置，其特征是，所述装置包括轧辊、机架、轧辊感应加热***和轧辊速度调节***；所述轧辊感应加热***包括设于上轧辊外周的上感应线圈、上测温探头，和设于下轧辊外周的下感应线圈、下测温探头；所述上、下感应线圈分别与加热***控制台电联接；所述轧辊速度调节***包括依次电联接的电机、减速器、联轴器；所述电机、减速器、联轴器设有两组，分别与上下轧辊联接；所述加热***控制台和电机由总控台控制。
2.如权利要求1所述的一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置，其特征是，所述感应线圈为U型感应线圈，半包围在轧辊外周。
3.如权利要求1所述的一种镁合金板带材异温异速协调轧制装置，其特征是，所述上、下轧辊的温度和速度独立调节。
4.权利要求1所述的镁合金板带材异温异速协调轧制装置在制备镁合金板带材厚向梯度组织中的应用。
5.一种镁合金板带材的异温异速协调轧制工艺，其特征是，所述工艺步骤如下：
(1)设定上下轧辊温度比为1：1～1：10；
(2)设定上下轧辊异速比为1:1～3:1；
(3)变形量为30％～50％，进行异温异速轧制。
6.如权利要求5所述的镁合金板带材的异温异速协调轧制工艺，其特征是，一次轧制结束后，根据需要，调整上下轧辊异速比和/或异温比，再次进行异温异速轧制：若板型弯向慢速辊，则增大慢速辊的温度、或降低快速辊的温度，或提高慢速辊的速度，或降低快速辊的速度。
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